王春茂 王海龍 姚東峰 王淑杰(山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250101）

定期檢驗(yàn)與尿素合成塔使用安全

王春茂 王海龍 姚東峰 王淑杰
(山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250101）

歸納總結(jié)了尿素合成塔宏觀檢驗(yàn)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)等檢驗(yàn)項(xiàng)目的重點(diǎn)。另外專門指出了檢漏介質(zhì)造成層板開(kāi)裂的缺陷處理注意事項(xiàng)。對(duì)于提高尿素合成塔定期檢驗(yàn)質(zhì)量具有較高的指導(dǎo)意義。

定期檢驗(yàn) 尿素合成塔 使用安全

尿素合成塔是化肥企業(yè)的核心設(shè)備之一，由于長(zhǎng)期處于高溫高壓強(qiáng)腐蝕工況[1-3]，尿素合成塔缺陷檢出率明顯高于其他設(shè)備[4]，自1976年世界范圍內(nèi)發(fā)生7起尿素合成塔爆炸的惡性事故[5-7]。目前全國(guó)在用尿素合成塔不足500臺(tái)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)自2005年以來(lái)，尿素合成塔內(nèi)部爆炸、物料管炸碎等事故5起，泄漏事故20余次，檢驗(yàn)報(bào)廢尿素合成塔超過(guò)10臺(tái)。定期檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)制造時(shí)產(chǎn)生的缺陷和使用過(guò)程中新生的缺陷，檢驗(yàn)人員對(duì)尿素合成塔檢驗(yàn)重點(diǎn)的有的放矢和缺陷的定性、定量及其產(chǎn)生原因的研判對(duì)及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者親歷400余臺(tái)次尿素合成塔定期檢驗(yàn)工作，現(xiàn)將檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和檢驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行歸納總結(jié)以供參考。

1　定期檢驗(yàn)項(xiàng)目及其意義

1.1宏觀檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)主要檢查容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況以及焊縫、襯里等。尿素合成塔常見(jiàn)的宏觀檢驗(yàn)超標(biāo)缺陷主要有溝槽腐蝕、內(nèi)襯機(jī)械劃傷、物料管偏置引起的局部沖刷腐蝕等。

較嚴(yán)重的宏觀檢驗(yàn)缺陷是內(nèi)襯鼓包。某尿素合成塔宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)第5筒節(jié)（從下向上數(shù)）內(nèi)襯縱逢向左0～300mm、向右0～400mm母材上存在若干個(gè)鼓包（見(jiàn)圖1（a））。造成這種缺陷的原因主要是開(kāi)車時(shí)升溫過(guò)快，使得襯里自由變形量大于筒體的膨脹量。由于襯里受筒體限制，在周向和軸向產(chǎn)生附加的壓應(yīng)力，在內(nèi)壓作用下，器壁都受到周向和軸向的拉應(yīng)力，襯里將變形鼓包。降壓時(shí)降壓速度過(guò)快，襯里內(nèi)外壓差達(dá)到一定值也會(huì)產(chǎn)生鼓包[8]。

某尿素合成塔宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)第二筒節(jié)（從上向下數(shù)）鼓包一處（見(jiàn)圖1（b）），面積為1750×515mm，最大突起高度150mm。造成這種缺陷的主要原因是停車排塔時(shí)沒(méi)有關(guān)閉檢漏蒸汽或在空塔狀態(tài)下通入檢漏蒸汽，在襯里內(nèi)外造成壓差，壓差超過(guò)內(nèi)襯承受外壓限度時(shí)，產(chǎn)生鼓包。

圖1　尿素合成塔襯里鼓包

外層板開(kāi)裂（見(jiàn)圖2）也是宏檢時(shí)較嚴(yán)重的缺陷之一。目前已有山東[9]、陜西、甘肅、新疆、廣西[10]等6臺(tái)尿素合成塔拆除保溫層后宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尿塔外部多數(shù)筒節(jié)層板爆裂，因無(wú)修理價(jià)值設(shè)備直接報(bào)廢。層板開(kāi)裂主要是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，這從裂紋的斷面形貌和裂紋尖端金相得到更好的印證[11]。

圖2　尿素合成塔外層板開(kāi)裂

1.2壁厚測(cè)定

由于尿素合成塔高溫高壓的強(qiáng)腐蝕工況，尿素合成塔內(nèi)襯的均勻腐蝕減薄蝕不可避免，檢驗(yàn)中內(nèi)襯測(cè)厚是一個(gè)必不可少的檢驗(yàn)項(xiàng)目。測(cè)厚主要有兩個(gè)作用，一是實(shí)測(cè)尿素合成塔內(nèi)襯最小壁厚，另外也可衡量?jī)?nèi)襯年腐蝕速率。正常情況下尿素合成塔超低碳奧氏體不銹鋼內(nèi)襯年腐蝕速率不大于0．2mm/a，最小壁厚不小于4mm。

通過(guò)對(duì)大量尿素合成塔平均剩余壁厚的統(tǒng)計(jì)分析（如圖3所示）可以看出，投用超過(guò)13年后各尿素合成塔內(nèi)襯腐蝕規(guī)律開(kāi)始有明顯的分化，個(gè)別塔內(nèi)襯腐蝕加劇，甚至低于4mm[12]。因而對(duì)于使用周期超過(guò)13年以上的尿素合成塔無(wú)論從工藝流程、現(xiàn)場(chǎng)操作還是定期檢驗(yàn)都應(yīng)引起格外的重視，以確保設(shè)備的安全使用。

圖3　尿素合成塔使用時(shí)間與內(nèi)襯最小壁厚關(guān)系

另外由于一般尿塔中偏上部物料混合反應(yīng)充分，但氰酸根濃度高，腐蝕嚴(yán)重。多臺(tái)塔各筒節(jié)平均壁厚概率統(tǒng)計(jì)為中偏上部最薄，其次是中部筒節(jié)，最上部壁厚略小于最下部壁厚。一般如圖4（a）分布。

如果出現(xiàn)了明顯的壁厚分布規(guī)律差異（如圖4（b）所示），一般是使用中出現(xiàn)了（或出現(xiàn)過(guò)）工藝問(wèn)題，比如脫硫出現(xiàn)問(wèn)題、鈍化不好、多塔并聯(lián)管道分壓不均勻等，這時(shí)應(yīng)引起格外的重視，不僅僅是尿素合成塔，與之相連的其他容器和管道都應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)。

圖4　不同筒節(jié)內(nèi)襯壁厚分布情況

1.3滲透檢測(cè)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)各界逐漸提高對(duì)體育事業(yè)的重視。因此，為了促進(jìn)全民參與體育活動(dòng)，有效提升我國(guó)青少年的身體素質(zhì)，增強(qiáng)我國(guó)全民的體育意識(shí)，就需要相應(yīng)的構(gòu)建“學(xué)校、家庭、社會(huì)”體育一體化模式，為促進(jìn)體育事業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，不僅能夠符合現(xiàn)代體育教育發(fā)展的需求，同時(shí)還能夠促進(jìn)素質(zhì)教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

滲透主要用于檢測(cè)內(nèi)襯腐蝕坑、孔、腐蝕溝槽、裂紋、進(jìn)料管管口裂紋等缺陷。內(nèi)襯滲透檢測(cè)的主要目的是防止內(nèi)襯出現(xiàn)貫穿性缺陷。對(duì)于狹窄的深孔、槽等液體流動(dòng)不暢，鈍化不良，腐蝕速度會(huì)進(jìn)一步加劇。

2008年底對(duì)163臺(tái)次尿素合成塔全面檢驗(yàn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，液氨物料管管口裂紋43次，出現(xiàn)概率為26．4%。進(jìn)一步研究表明液氨物料管管口裂紋主要是由于物料管焊接結(jié)構(gòu)、溫差應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)和工況條件等因素綜合影響造成的[13-15]。其中溫差應(yīng)力是造成管口裂紋的主要因素[16]。在不影響化學(xué)熱平衡的前提下適當(dāng)提高液氨預(yù)熱溫度將極大地降低管口裂紋的出現(xiàn)幾率。目前多數(shù)企業(yè)已經(jīng)采取了對(duì)三物料管進(jìn)口段適當(dāng)提高預(yù)熱，極大的降低了液氨管管口裂紋產(chǎn)生的傾向和嚴(yán)重程度。

此外由于工藝原因，尿素合成塔上封頭與筒體熱影響區(qū)容易出現(xiàn)垢下裂紋，由于垢下流動(dòng)性小，氧化鈍化效果不好，更容易進(jìn)一步加速垢下裂紋的擴(kuò)展，甚至出現(xiàn)貫穿性缺陷，引發(fā)強(qiáng)度層腐蝕。因此對(duì)于結(jié)垢明顯的尿素合成塔應(yīng)先對(duì)上封頭與筒體相連環(huán)焊縫T型接頭兩側(cè)進(jìn)行打磨檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)垢下裂紋，應(yīng)進(jìn)一步打磨和擴(kuò)探，直至缺陷消除。

圖5　垢下裂紋

1.4磁粉檢測(cè)

對(duì)尿素合成塔外層板環(huán)、縱焊縫、裙座安裝焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)以發(fā)現(xiàn)表面或近表面缺陷。缺陷的形態(tài)主要為應(yīng)力腐蝕造成的裂紋。這些裂紋如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步擴(kuò)展，降低塔體的承載能力，造成重大安全隱患。

裂紋的發(fā)生部位不僅在環(huán)縱焊縫及其熱影響區(qū)，有時(shí)裙座角焊縫、母材等也有可能產(chǎn)生裂紋，特別是尿素合成塔制造時(shí)支承部位的母材更容易出現(xiàn)裂紋。

圖6　多層層板裂紋

1.5聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)是利用耦合在塔體外表面上的壓電傳感器來(lái)檢測(cè)材料開(kāi)裂或缺陷活動(dòng)過(guò)程中所輻射出來(lái)的應(yīng)力波。由于尿素合成塔深環(huán)焊縫的特殊結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7的裂紋由于裂紋致密度高，角度不確定等因素，采用射線檢測(cè)檢出率較低。由于多層層板尖端的干擾，超聲檢測(cè)的判定也較困難。超聲相控陣檢測(cè)缺乏相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。聲發(fā)射是針對(duì)這種缺陷較有效的檢測(cè)方式之一，也是比較快捷的檢測(cè)方式，但需要對(duì)多層包扎結(jié)構(gòu)聲發(fā)射信號(hào)衰減規(guī)律測(cè)定、傳播速度測(cè)量、聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別等進(jìn)行特別的研究，必要時(shí)通過(guò)對(duì)缺陷現(xiàn)場(chǎng)解剖驗(yàn)證從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的定位和活度測(cè)量[17]。

圖7　尿素合成塔深環(huán)焊縫裂紋剖面圖

2　其他注意問(wèn)題

由于內(nèi)襯泄漏后塔內(nèi)尿素和氨基甲酸銨溶液對(duì)強(qiáng)度層腐蝕速度非常快（＞1000mm/a），為防止強(qiáng)度層因腐蝕失效，尿素合成塔在頂蓋和筒節(jié)上分別設(shè)計(jì)了檢漏孔以便早期發(fā)現(xiàn)尿素合成塔內(nèi)筒泄漏，避免惡性事故的發(fā)生。目前檢漏方式有：蒸汽檢漏、氮?dú)鈾z漏、空氣檢漏、惰性氣體檢漏等。

蒸汽檢漏是用的最早的檢漏方式之一，但多采用二次蒸汽作為檢漏介質(zhì)，加上系統(tǒng)冷凝液回收的因素，蒸汽純度難以保證。蒸汽中的碳酸鹽、鐵銹以及雜質(zhì)在停車降溫時(shí)容易結(jié)晶堵塞檢漏通道。一旦蒸汽中含有氯離子、碳酸根離子等有害介質(zhì)，長(zhǎng)期使用會(huì)造成內(nèi)襯層背側(cè)局部積液濃縮，形成對(duì)設(shè)備應(yīng)力腐蝕環(huán)境。在尿素合成塔高溫、高壓工作狀態(tài)下，冷凝液沉積部位極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致內(nèi)襯層背側(cè)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。因而發(fā)生內(nèi)襯非焊縫位置泄漏的尿素合成塔，對(duì)于內(nèi)襯母材背側(cè)缺陷的補(bǔ)充檢測(cè)是很有必要的，由于缺陷位于背側(cè)，采用超聲檢測(cè)或者Lamb波檢測(cè)是比較可行的方式之一[18]。

此外由于加工工藝、酸洗控制不當(dāng)以及操作不合理等問(wèn)題造成同一筒節(jié)的通氣孔和檢漏孔發(fā)生了串通。在工藝蒸汽不純串入層板間隙時(shí)，可能導(dǎo)致尿素合成塔層板局部應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（見(jiàn)圖8）。對(duì)于這種情況的開(kāi)裂，一定要采取開(kāi)大于所在層層板裂紋區(qū)域的天窗擴(kuò)探下一層，確保各層裂紋均打磨消除，而不能簡(jiǎn)單的把第一層層板裂紋消除后盲目補(bǔ)焊。

圖8　檢漏孔周圍多層層板開(kāi)裂

3　結(jié)束語(yǔ)

多層結(jié)構(gòu)的尿素合成塔因結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定而被企業(yè)安全意識(shí)重視不夠。2005年發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故后，多數(shù)企業(yè)都進(jìn)行了針對(duì)性的安全檢查，卻往往忽視了對(duì)事故征兆和事故苗頭進(jìn)行排查。尤其是近幾年表現(xiàn)在實(shí)際行動(dòng)上的安全意識(shí)明顯在減弱，定期檢驗(yàn)重視不足。

航空界海恩法則顯示：每一起嚴(yán)重事故的背后，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。該法則對(duì)于特種設(shè)備檢驗(yàn)，對(duì)于尿素合成塔的使用安全同樣適用。事故的發(fā)生是量的積累的結(jié)果，任何一起事故都是有原因的，并且是有征兆的。安全生產(chǎn)是可以控制的，安全事故是可以避免的。再好的技術(shù)，再完美的規(guī)章，在實(shí)際操作層面，也無(wú)法取代人自身的素質(zhì)和責(zé)任心。安全不僅是設(shè)計(jì)、制造和使用管理，檢驗(yàn)也是不可忽視的一環(huán)。作為檢驗(yàn)人員更應(yīng)加強(qiáng)尿素合成塔等含襯里設(shè)備檢修檢驗(yàn)，及時(shí)消除安全隱患。

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Periodical Inspection with Service Safety of Urea Reactor

Wang Chunmao Wang Hailong Yao Dongfeng Wang Shujie
(Shandong Special Equipment Inspection & Research Academy Ji'nan 250101)

In this article, the focus of inspection of urea reactor was indicated in macroscopic examination penetrant testing magnetic testing and acoustic emission. It was also indicated that a few remarks must be made to concern defect repair of plate cracking by medium leakage. It is helpful to improve inspection quality.

Periodical inspection Urea reactor Service safety

X933．4

B

1673-257X(2016)01-0042-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．010

王春茂(1978～)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)和研究工作。

（2014-08-08 ）